Für diesen Ansatz wurde ein, in Einzelsegmente zerlegter, Faltschachtelzuschnitt mit gedruckten Scharnieren aus TPE-U wieder verbunden. Durch dieses Vorgehen konnten dauerelastische Fügestellen zwischen den Einzelteilen realisiert werden. Besonders bei langanhaltender zyklischer Belastung kann damit einem Materialversagen entlang der Faltkante vorgebeugt werden.
Abbildung 41: Faltschachtel mit gedruckten Scharnieren aus TPE-U.
Abbildung 42: Faltschachtel mit Blindenschrift bedruckt.
SKZ und PTS
Blindenschrift
Drucken auf Papier Das Alphabet von A bis Z
5.7.3 Stoßecken
Um beim Transport das Beschädigen der Schachtel an den Ecken zu verhindern, wurden auf der Innenseite der Faltschachtel Stoßecken zur Verstärkung gedruckt.
Abbildung 43: Faltschachtel mit gedruckten Stoßecken.
Berücksichtigung der individuellen Materialcharakteristika des Papiers und des Polymers zu vollziehen, da ansonsten das finale Komposit keine ausreichende Dimensionsstabilität bzw. Grenzflächenhaftung aufweist. In diesem Zusammenhang waren besonders die Oberflächenbeschaffenheit und die Quellungseigenschaft der Papiere wie auch die thermischen Charakteristika der Polymere von Bedeutung.
Die Haftung zwischen Polymer und Papier ließ sich primär über die Temperaturführung (speziell Düsentemperatur und Temperatur der Bauplattform) bei der Applikation beeinflussen. Hohe Polymertemperaturen führten prinzipiell zu einer niedrig viskosen Schmelze und einer besseren Interaktion mit strukturierten Oberflächen. Die Möglichkeit zur Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung (und damit besseren Haftung) wurde zudem durch eine erhöhte Temperatur der Bauplattform erreicht. Als Einschränkung ist jedoch in diesem Kontext der negative Einfluss migrationsfähiger hydrophober Verbindungen im Substrat wie auch im Polymer zu erwähnen. Denn werden diese durch zu hohe Temperaturen (und auch durch zu langanhaltenden Temperatureinfluss) zur Migration an die Grenzflächen veranlasst, so führt dies zu einer deutlichen Verschlechterung der Hafteigenschaften. Auch bei der Z-Zug-Prüfung führte diese Wirkung abgeschiedener Polymerbestandteile vereinzelt zu Fehlmessungen.
Während das Laserschneiden in der Papierindustrie als etabliertes Verfahren angesehen werden kann, erweist sich die Laserrillung speziell für die Faltschachtelfertigung als noch nicht ausreichend optimiert. Im Gegensatz zur Laserperforation, womit sich ebenfalls eine Reduktion des Faltmomentes erzielen lässt, wird bei der Laserrillung das Substrat nur linienförmig geschwächt aber nicht durchdrungen. Für eine zielführende Reduktion des Biegewiderstandes konnte im Projekt eine „Laser-Rillung“ optimiert werden, wobei besonders ein großer Öffnungswinkel der, genauer als „Laser-Nutung“ zu bezeichnenden, Materialschwächung von hoher Bedeutung war. Durch die Anwendung drei paralleler Schnitt-Linien mit sehr geringem Abstand und unterschiedlicher Tiefe wurde dieser Notwendigkeit Rechnung getragen.
Diese Materialschwächungen erwiesen sich als verantwortlich für deutlich verminderte Stabilitätskennwerte der finalen Faltschachtel, was anhand des BCT belegt werden konnte und generell ein Manko vollständig lasergefertigter Papiererzeugnisse darstellt.
Bezüglich des Arbeitsansatzes diese lokalen Substratschwächungen durch eine polymere Innenverstärkung zu kompensieren, erwiesen sich Wabenstrukturen anderen Geometrien gegenüber als überlegen und führten bei flächiger Applikation zu einer Steigerung des
Stapelstauchwiderstandes um 135,6 %. Im Hinblick auf die Materialeffizienz konnten sich besonders einfache Rahmenstrukturen als zielführend herauskristallisieren, die in Analogie zur Ständerbauweise in die Konstruktion integriert, eine Erhöhung des Stapelstauchwiderstandes um bis zu 76,5 % bewirkten und dafür nur knapp ein Drittel des Polymereinsatzes erforderten.
Bei den Recycling-Untersuchungen wurden Faltschachteln mit hohen Polymeranteilen untersucht. Entsprechend waren nach Desintegration nur geringe Faserstoffausbeuten zu erzielen, die ein effizientes Recycling im Papierkreislauf in Frage stellen. Im Hinblick auf Qualitätskriterien, wie optische Inhomogenitäten oder klebende Verunreinigungen im rezyklierten Faserstoff konnte das Verbundmaterial problemlos wiederverwertet werden.
In Summe ergab sich jedoch aufgrund des hohen Störstoffgehaltes eine Abwertung der Rezyklierbarkeit. Obwohl für die Fertigung der Materialverbünde bereits das thermoplastische Biopolymer PLA eingesetzt wurde, könnte u.a. das neue Verpackungsgesetz 2019 in diesem Kontext ein Hemmnis für die industrielle Umsetzung in der Faltschachtelindustrie darstellen.
Basierend auf den Erkenntnissen zum Benetzungs- und Adhäsionsverhalten von Polymerschmelzen auf Papiersubstraten sowie zur thermo-/hygroskopischen Dimensionsstabilität von Papier-Polymer-Verbundproben, lassen sich Anwendungsszenarien deutlich über den primär angesprochenen Faltschachtelmarkt hinaus erwarten. Denn die Kompatibilität von anisotropen Fasermaterialien mit Polymeren ist auch mit Blick auf die Fertigung von Faserverbundwerkstoffen in der kunststoffverarbeitenden Industrie von Bedeutung.
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Abbildung 4: Arbeitsprinzip der Fokusvariation. ... 11
Abbildung 5: Schematische Darstellung der Linienrauheit Ra und Rz. ... 11
Abbildung 6: Schematische Darstellung des Prüfaufbaus beim Scott Bond Test. ... 13
Abbildung 7: Schematische Darstellung des Box-Compression Test. ... 14
Abbildung 8: Allgemeiner Ablauf TS-RH 021/97 Kategorie II. ... 14
Abbildung 9: Mobile Einspannvorrichtung für die Messung klimatisch bedingter Längenänderung. ... 19
Abbildung 10: Lagenspaltung im Rahmen des Z-Zugversuches (links) und schematische Darstellung des in der Prüfeinrichtung fixierten Schichtverbundes (rechts). ... 20
Abbildung 11: Exemplarische Darstellung eines Druckauftrages für ein Papiersubstrat in Simplify3D. ... 21
Abbildung 12: Verwendete Füllmuster und Füllwinkel. ... 23
Abbildung 13: Benetzungsverhalten der Substrate, Auftragung des zeitaufgelösten Kontaktwinkels (Wasser) im Intervall 0 – 30s. ... 27
Abbildung 14: Mittlerer Kontaktwinkel der Flüssigkeiten Wasser und Formamid nach 0,2 s auf den Substratoberflächen. ... 28
Abbildung 15: Quecksilberporosimetrie, Mittelwertkurven zur Porengrößenverteilung der einzelnen Substrate. ... 30
Abbildung 16: Topographisches Abbild des Papiersubstrates Fs167. ... 31
Abbildung 17: Topographisches Abbild des Papiersubstrates Kr225. ... 31
Abbildung 18: Topographisches Abbild des Papiersubstrates Ta260. ... 31
Abbildung 19: Topographische Abbilder der Papiersubstrate Tr190/230. ... 31
Abbildung 20: Mittlerer Kontaktwinkel der Prüfflüssigkeiten Wasser und Diiodmethan nach 0,2 s auf den zu Folien gepressten Polymeren. ... 33
Abbildung 21: DSC-Messung der Polymere. ... 34
Abbildung 22: Gegenüberstellung der Feuchtdehnung von Substraten und Polymeren. 36 Abbildung 23: Druckversuche (links) und Z-Probekörper (rechts). ... 37
Abbildung 24: Z-Probekörper für Zugversuche nach Tappi T 541. ... 37
Abbildung 25: Z-Zugversuch nach Tappi. ... 37
Abbildung 26: Stützstruktur auf Faltschachtelkarton. ... 38
Abbildung 27: Gespaltene Z-Zug-Prüfkörper der Versuchsreihe 5 bei der die Lagetrennung einheitlich im Papier stattfand (a) und der Versuchsreihe 6 bei der sich die
Papier-Polymer-Haftung als limitierender Faktor erwies. ... 39
Abbildung 28: Z-Zug-Spannungen unterschiedlich gefertigter PLA-Papier-Verbünde bei 30°C. ... 40
Abbildung 29: Z-Zug-Spannungen unterschiedlich gefertigter PLA -Papier-Verbünde bei 60°C. ... 40
Abbildung 30: Z-Zug-Spannungen unterschiedlich gefertigter Hytrel 4100 -Papier-Verbünde bei 30°C. ... 41
Abbildung 31: Z-Zug-Spannungen unterschiedlich gefertigter Hytrel 4100 -Papier-Verbünde bei 60°C. ... 42
Abbildung 32: Bedruckte Faltschachtel mit Grid 45°/-45°C. ... 43
Abbildung 33: Möglichkeiten zur lokalen Schwächung des Biegemomentes. ... 44
Abbildung 34: Schematische Darstellung der Faltmomentprüfung (a) [30] und exemplarische Messkurven des ungerillten Referenzmaterials Ta260. ... 44
Abbildung 35: „Laserrillungen“ 1, 2, 3 und 5, gefertigt mit verschiedenen Einstellungen am Substrat Ta260 jeweils frisch (a, c, e und g) und im gefalteten Zustand (b, d, f und h). ... 45
Abbildung 36: Linienschema der finalen „Laserrillung“ 5 die mit einer Linienbreite von 0,2 mm und einer Schnittgeschwindigkeit von 1000 m/s gefertigt wurde. ... 46
Abbildung 37: Dimension und Erscheinungsbild der, für die Untersuchungen genutzten, Faltschachtelzuschnitte. ... 47
Abbildung 38: Polymerverstärkte Faltschachteln nach dem BCT (a) und Packmittelbestandteile der eingesetzten Schachteln (b). ... 51
Abbildung 39: Rückstand der Brecht-Holl-Fraktionierung (a) sowie die abgetrennte Fraktion der Haindl-Sortierung (b). ... 52
Abbildung 40: Resultat des Blattklebetestes (a), Gesamtstoff (links) und Gutstoff (rechts) sowie Prüfblätter im Durchlicht zur Bewertung von Inhomogenitäten (b) mit dem Gesamtstoff (oben) und Gutstoff (unten). ... 53
Abbildung 41: Faltschachtel mit gedruckten Scharnieren aus TPE-U. ... 54
Abbildung 42: Faltschachtel mit Blindenschrift bedruckt. ... 55
Abbildung 43: Faltschachtel mit gedruckten Stoßecken. ... 56
Tabelle 8: Spezifische Substratcharakteristika. ... 26
Tabelle 9: Oberflächenenergie der Papiersubstrate nach OWRK. ... 29
Tabelle 10: Porositätskennwerte der Papiersubstrate. ... 29
Tabelle 11: Kennwerte zur Flächenrauheit der Substrate. ... 32
Tabelle 12: Oberflächenenergie der Polymere nach OWRK. ... 33
Tabelle 13: Peak aus den DSC-Messungen. ... 34
Tabelle 14: Prozentuale Feuchtdehnung der Polymere bei Prüfung nach DIN 53130. .. 35
Tabelle 15: Ausgleichsfeuchte der Polymere nach Lagerung bei 23°C und 50 bzw. 100% RH. ... 35
Tabelle 16: Kennwerte zur Z-Spaltung der Papiersubstrate. ... 39
Tabelle 17: Resultate der creasability tests unterschiedlich gerillter Substrate Ta260. . 46
Tabelle 18: TPU-Verstärkte Faltschachteln im BCT. ... 48
Tabelle 19: PLA-verstärkte Faltschachteln im BCT. ... 49
Tabelle 20: PLA-Verstärkungsstrukturen in Kombination mit der Laserrillung 3 und deren Wirkungen im BCT. ... 49
Tabelle 21: PLA-Verstärkungsstrukturen in Kombination mit der Laserrillung 5 und deren Wirkungen im BCT. ... 50
Tabelle 22: Packmittelbestandteile im Sinne der Rezyklierbarkeit. ... 51
Tabelle 23: Bewertung Gesamtrückstand (inkl. trockenentfernter papierfremder Produktbestandteile). ... 52
Tabelle 24: Bewertung des Blattklebetestes (Gutstoff). ... 52
Tabelle 25: Bewertungskriterien zur visuellen Beurteilung optischer Inhomogenitäten. ... 53